Tesis USM TESIS de Pregrado de acceso ABIERTO
2016
DISEÑO CONCEPTUAL DE MÁQUINA
GENERADORA DE BLOQUES O
LADRILLOS PARA CONSTRUCCIÓN
EN BASE AL RECICLAJE DE TETRA
PAK ®
ORTIZ MARTÍNEZ, SEBASTIÁN ANDRÉS
http://hdl.handle.net/11673/40957
UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA
MARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECÁNICA
SANTIAGO – CHILE
“Diseño conceptual de máquina generadora de
bloques o ladrillos para construcción en base al
reciclaje de Tetra Pak
®”
SEBASTIÁN ANDRÉS ORTIZ MARTÍNEZ
TRABAJO DE TÍTULO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO MENCIÓN ENERGÍA
PROFESOR GUÍA: Prof.-Ing. Sheila Lascano F. PROFESOR CORREFERENTE: Luis Pérez Pozo
I
Resumen
II
Agradecimientos
III
Índice
1. Marco Teórico ... 1
1.1. Acerca del Tetra Pak ® ... 1
1.1.1. Historia del envase de Tetra Pak ® ... 1
1.1.2. Tipos de Envases en el Mercado ... 2
1.1.3. Composición y propiedades de los materiales ... 3
1.2. Reciclaje de envases de Tetra Pak ® ... 5
1.2.1. Entre el consumo y el reciclaje ... 5
1.2.2. Proceso de Reciclaje ... 5
1.2.3. Reciclaje en Chile y el mundo ... 7
1.3. Productos fabricados con Tetra Pak ® reciclado y tableros de madera. ... 8
1.3.1. Tipos de tableros ... 8
1.3.2. Producción del Yekpan ... 9
1.3.3. Propiedades del Yekpan ... 10
1.4. Materiales compuestos ... 11
1.4.1. Matriz ... 11
1.4.2. Refuerzo... 12
2. Caracterización del material ... 13
2.1. Ensayo de Tensión ... 13
2.1.1. Teoría ... 13
2.1.2. Norma ASTM D5083 ... 15
2.2. Equipos, herramientas y componentes a utilizar... 17
2.2.1. Descripción previa de los ensayos y rangos admisibles ... 17
2.3. Resultados ... 18
3. Metodología de diseño ... 19
3.1. Definición ... 19
3.2. Proceso de diseño ... 20
3.2.1. Primera Fase: Diseño conceptual ... 21
3.2.2. Segunda Fase: Diseño de configuración ... 21
IV
4. Desarrollo del Diseño Conceptual... 22
4.1. Definición del problema ... 22
4.2. Entendiendo el problema ... 22
4.2.1. Encuestas a personas relacionadas con el concepto a desarrollar ... 24
4.3. Listado de Atributos ... 24
4.4. Objetivos, Restricciones y Funciones ... 26
4.5. Categorizar los objetivos de diseño ... 28
4.6. Jerarquización de Objetivos ... 30
4.7. Análisis funcional ... 32
4.8. Descripción de funciones de la Máquina ... 34
4.9. Análisis de benchmarking ... 34
4.10. Estableciendo especificaciones de diseño en ingeniería ... 37
4.11. Matriz de objetivos-especificaciones ... 39
4.12. Casa de la calidad ... 45
4.12.1. QFD Máquina ... 45
4.12.2. QFD Ladrillo ... 50
4.13. Resolución de problemas y contradicciones de diseño ... 55
4.13.1. Contradicciones y soluciones Máquina ... 55
4.13.2. Método de resolución de problemas: TRIZ ... 56
4.14. Búsqueda de patentes ... 57
4.15. Carta morfológica ... 72
4.16. Brainstorming ... 77
4.17. Matriz de relación Máquina/Producto ... 77
4.17.1. Matriz de relación Objetivos Producto – Insumos Máquina ... 78
4.17.2. Matriz de relación Objetivos Producto – Objetivos Máquina ... 80
4.18. Generación de Conceptos ... 81
4.18.1. Concepto 1: Enfoque moldeo por inyección ... 81
4.18.2. Concepto 2: Enfoque moldeo por compresión ... 82
4.18.3. Concepto 3: Enfoque moldeo por transferencia ... 83
4.19. Selección de un concepto por el método de los pesos ponderados ... 83
V
5.1. Tipo de arquitectura ... 85
5.2. Definición de la arquitectura del equipo ... 86
6. Diseño de configuración... 91
6.1. Componentes ... 91
6.2. Correa transportadora ... 92
6.3. Triturador ... 92
6.4. Silo ... 92
6.5. Bomba de particulado ... 94
6.6. Recipientes de resina y pigmentos ... 94
6.7. Mezclador de cinta ... 94
6.8. Tornillo reciprocante ... 95
6.9. Molde ... 96
6.10. Cilindros oleo hidráulicos de compresión y expulsión ... 97
6.11. Chiller ... 98
6.12. Unidad oleo hidráulica ... 98
6.13. Unidad de control ... 98
6.14. Características estructurales ... 98
6.15. Elementos oleo Hidráulicos ... 98
6.16. Diseño CAD ... 99
7. Fabricación de un prototipo de bloque con impresora 3D ... 103
7.1. Ladrillo ... 103
7.1.1. Ladrillo de arcilla... 103
7.2. Ladrillo de Tetra Pak® ... 103
7.2.1. Especificaciones Ladrillo ... 104
7.3. Ladrillo generado en impresora 3D ... 105
8. Análisis energético comparativo ... 110
8.1. Comparación básica de consumo eléctrico de la industria ladrillera y el concepto desarrollado ... 110
9. Conclusiones ... 113
10. Bibliografía ... 114
VI
11.1. Instrumentos de medición y ensayo: ... 117
11.1.1. Procedimiento del ensayo ... 123
11.1.2. Ensayo Zwick Roell Z30 (Campus Casa Central) ... 128
11.2. Respuestas de encuestas ... 133
11.2.1. Encuesta a Teca Plak ... 133
11.2.2. Encuesta a especialistas ... 137
11.3. Descripción y propiedades de los insumos ... 146
11.3.1. Polímero (resina) ... 146
11.3.2. Tipos de entrecruzamiento de polímeros y sus propiedades ... 146
11.3.3. Pigmentos y restricciones químicas ... 148
11.3.4. Tetra Pak ® ... 149
11.4. Procesos de conformado con matriz polimérica ... 150
11.4.1. Moldeo por inyección ... 150
11.4.2. Moldeo por compresión ... 154
11.4.3. Moldeo por transferencia ... 155
VII
Lista de Figuras
Figura 1: Envases comerciales de Tetra Pak ®. ... 2
Figura 2: Descomposición de la pared que conforma un envase. Se pueden apreciar las seis capas que lo conforman. ... 3
Figura 3: Muestra cómo se relacionan los conceptos de fibra, lámina, matriz y laminado. 11 Figura 4: De izquierda a derecha, fibra corta al azar, fibra corta con orientación común, fibras largas unidireccionales y laminado [24]. ... 12
Figura 5: De izquierda a derecha, particulado general, hojuelas, y esqueleto o filled.13 Figura 6: Cartón tipo panal de abeja (honey comb). ... 13
Figura 7: Cuerpo sometido a cargas axiales generando deformación δ. ... 14
Figura 8: Diagrama fuerza vs deformación unitaria. ... 15
Figura 9: Dimensiones de probeta según ASTM 5083... 16
Figura 10: Muestra el porcentaje de la fuerza nominal para el cual la medición está dentro de los rangos mínimos para la norma ISO7500 [25]. ... 17
Figura 11: Diagrama de la metodología de diseño. ... 20
Figura 12: Domo en las instalaciones de Phoenix Brik. Su estructura es de fierros reciclados y su cubierta de planchas en base a triturado de Tetra Pak ®.. ... 23
Figura 13: Caja negra de la máquina generadora de bloques. ... 33
Figura 14: Caja transparente de la máquina generadora de bloques. ... 33
Figura 15: Brainstorming o tormenta de ideas para el diseño de la máquina. ... 77
Figura 16: Tipos de arquitectura de diseño [31]. ... 86
Figura 17: Diagrama de componentes y funciones de la máquina. ... 86
Figura 18: Módulo de Control. ... 87
Figura 19: Módulo de Triturado. ... 87
Figura 20: Módulo de mezclado. ... 88
Figura 21: Módulo de inyección. ... 88
Figura 22: Módulo de moldeo. ... 89
Figura 23: módulo de soporte estructural. ... 89
Figura 24: Bosquejo de funciones y grupos. Se puede observar en color amarillo el grupo de triturado, azul el de mezclar, rojo el de inyectar, violeta el de moldear, verde el de control y negro el soporte estructural. ... 90
Figura 25: Dimensiones del silo. ... 93
Figura 26: Perfil de temperaturas del tornillo y molde para una máquina inyectora de polímeros termoestables. ... 97
Figura 27: Vista isométrica de la máquina generadora de bloques. ... 99
Figura 28: Se aprecia en la zona superior el silo y la estructura del triturador en naranjo. 99 Figura 29: Vista frontal de la máquina generadora de bloques. ... 100
Figura 30: Vista trasera de la máquina generadora de bloques. ... 100
VIII Figura 32: Plano 2 de máquina generadora de bloques. Se pueden apreciar los detalles del
triturador y su estructura en A, B y C. ... 102
Figura 33: Nombres de las caras de un ladrillo [37]... 103
Figura 34: Vista isométrica del modelo. ... 105
Figura 35: Vista isométrica del bloque en la cual se pueden ver con línea de segmento, las cavidades internas del bloque. ... 105
Figura 36: Cuadro comparativo de densidades de impresión 3d. ... 106
Figura 37: Diseño impreso en MakerBot Replicator 2X. La posición de la imagen fué la escogida para imprimir el bloque. ... 106
Figura 38: Tres bloques generados a partir de la impresión 3D ensamblados en disposición a soga. ... 107
Figura 39: Vista en corte de una de las puntas superiores del ladrillo. Se puede apreciar la densidad de impresión 15[%]. ... 107
Figura 40: Vista isométrica del molde. Se observan a un costado cuatro entradas y salidas de tubería para el refrigerante. Y al otro costado, en el centro, el canal para inyección.108 Figura 41: Corte central que separan las dos mitades del molde... 108
Figura 42: Corte a la altura del canal bebedero para inyectar mezcla. ... 109
Figura 43: Plano del molde de cuatro cavidades. Se observa en el inferior, la placa con sus pasadores eyectores que generan la expulsión de los bloques... 109
Figura 44: Diagrama Sankey de consumo energético de la planta de ladrillos. ... 110
Figura 45: Direcciones de la máquina de ensayo: x, y, z. ... 117
Figura 46: Máquina de ensayo de materiales Zwick Roell serie BT1-BF030TN.D30.118 Figura 47: Elementos físicos de la máquina de ensayo Zwick Roell serie BT1-BF030TN.D30. ... 118
Figura 48: Captador de fuerza Xforce P de 30[kN]... 119
Figura 49: Mandíbulas planas para sujeción de probetas de cara llana plana. ... 120
Figura 50: Multímetro Fluke 179 RMS. ... 121
Figura 51: Indicador de deformación de cuatro canales. Permite el uso de un cuarto, medio o completo puente de Wheastone. ... 122
Figura 52: Rollo de Tetra Pak ® antes de la formación de la caja. ... 123
Figura 53: Detalle de los pliegues que vienen de la fábrica Tetra Pak ®. ... 124
Figura 54: Cara superior e inferior de la probeta utilizada. Se pueden observar los pliegues en los extremos. ... 124
Figura 55: Probeta y strain gage pegados con Permatex 82565. ... 125
Figura 56: Diagrama eléctrico referente a un cuarto de puente de Wheatstone. ... 125
Figura 57: Un cuarto de puente de wheatstone ilustrado para realizar conexiones en instrumento de medición de deformaciones Vishay P3... 125
Figura 58: Probeta con strain gage y cables soldados para conectar el cuarto de puente de Wheatstone. ... 126
Figura 59: Probeta 1, ensayo hasta la falla. ... 128
IX
Figura 61: Rango elástico probeta 1. ... 129
Figura 62: Rango elástico probeta 2. ... 130
Figura 63: Primer ensayo para la probeta con strain gage en casa central. ... 130
Figura 64: Segundo ensayo para la probeta con strain gage en casa central. ... 131
Figura 65: Tercer ensayo para la probeta con strain gage en casa central. ... 131
Figura 66: Cuarto ensayo para la probeta con strain gage en casa central. ... 132
Figura 67: Quinto ensayo para la probeta con strain gage en casa central. ... 132
Figura 68: Sistema de moldeo por inyección para polímeros. A la izquierda el sistema de inyección, y a la derecha se observa el sistema de sujeción del molde. ... 150
Figura 69: Molde de un sistema de moldeo por inyección. A la izquierda se observa un molde cerrado, mientras que a la derecha un molde abierto. ... 151
Figura 70: Gráfico de volumen específico en función de la temperatura. Representa como cambian dichas magnitudes dentro del molde. La recta segmentada con menor pendiente muestra la fase sólida de la mezcla, mientras que la con mayor pendiente es la fase líquida. ... 153
Figura 71: Proceso de formado por compresión. Instalación del polímero en el molde, posteriormente compresión en caliente, y finalmente apertura del molde. ... 154
X
Lista de Tablas
Tabla 1: Propiedades físicas y mecánicas del aluminio [12]. ... 4
Tabla 2: Propiedades físicas y mecánicas del polietileno [12]. ... 4
Tabla 3: Producción mundial en 1999 de Yekpak (OSB Tetra Pak ®) [20]. ... 8
Tabla 4: Propiedades mecánicas de los paneles compuestos de madera [21]. ... 9
Tabla 5: Propiedades mecánicas y físicas de Ecoplak, panel similar a Yekpan. ... 10
Tabla 6: Parámetros a configurar para el ensayo de Tracción ... 16
Tabla 7: Resultados para los ensayos realizados en casa Central con “strain gage”. .. 18
Tabla 8: Comparativa de módulos de young para distintos materiales. ... 19
Tabla 9: Personas encuestadas para recopilar las necesidades del cliente. ... 24
Tabla 10: Objetivos de diseño para la máquina generadora de bloques. ... 26
Tabla 11: Restricciones para la máquina generadora de bloques de Tetra Pak ®. ... 27
Tabla 12: Funciones para la máquina generadora de bloques de Tetra Pak ®. ... 27
Tabla 13: Objetivos para el bloque generado por la máquina. ... 27
Tabla 14: Restricciones para el bloque generado por la máquina. ... 28
Tabla 15: Funciones para el bloque generado por la máquina. ... 28
Tabla 16: Objetivos de la máquina clasificados. ... 29
Tabla 17: Objetivos del ladrillo clasificados. ... 29
Tabla 18: Objetivos de la máquina jerarquizados. ... 30
Tabla 19: Objetivos del bloque jerarquizados. ... 31
Tabla 20: Objetivos de la máquina valorizados... 31
Tabla 21: Objetivos del bloque valorizados. ... 32
Tabla 22: Benchmarking previo de los objetivos de la máquina. ... 35
Tabla 23: Benchmarking previo del Ladrillo generado por la máquina. ... 36
Tabla 24: Especificaciones de diseño de la máquina. ... 37
Tabla 25: Especificaciones de diseño del ladrillo. ... 38
Tabla 26: Matriz objetivos- especificaciones para la máquina. ... 39
Tabla 27: Matriz objetivos- especificaciones para el bloque. ... 42
Tabla 28: QFD Máquina parte 1. ... 45
Tabla 29: QFD Máquina parte 2. ... 46
Tabla 30: QFD Máquina parte 3. ... 47
Tabla 31: QFD Máquina parte 4. ... 48
Tabla 32: QFD Máquina parte 5. ... 49
Tabla 33: QFD Ladrillo parte 1. ... 50
Tabla 34: QFD Ladrillo parte 2. ... 51
Tabla 35: QFD Ladrillo parte 3. ... 52
Tabla 36: QFD Ladrillo parte 4. ... 53
Tabla 37: QFD Ladrillo parte 5. ... 54
Tabla 38: Soluciones encontradas a contradicciones Máquina y Ladrillo. ... 55
XI
Tabla 40: Patentes para el diseño de la máquina. ... 57
Tabla 41: Carta morfológica para el diseño de la máquina. ... 73
Tabla 42: Matriz objetivos producto e insumos máquina (parte 1). ... 78
Tabla 43: Matriz objetivos producto e insumos máquina (parte 2). ... 79
Tabla 44: Matriz Objetivos máquina-producto (parte 1). ... 80
Tabla 45: Matriz Objetivos máquina-producto (parte 2). ... 81
Tabla 46: Valorización de conceptos... 84
Tabla 47: Tabla de componentes que contiene el diseño escogido. ... 91
Tabla 48: Especificaciones de una máquina inyectora comercial y volumen de 1 bloque de mezcla resina triturado... 96
Tabla 49: Consumos eléctricos mensuales de la planta ladrillera Santander. ... 111
Tabla 50: Característica de la máquina de ensayos. ... 119
Tabla 51: Características de la celda de carga. ... 120
Tabla 52: Características de las mandíbulas utilizadas en los ensayos de tracción. .. 120
Tabla 53: Tamaño de particulado del Tetra Pak. ® ... 149
Tabla 54: Ciclo del proceso de inyección. ... 152
Tabla 55: Definición de magnitudes utilizadas en teoría de mezclas. ... 156
Tabla 56: Valores definidos para el diseño del ladrillo. ... 157
Tabla 57: Valores de magnitudes pertenecientes a los materiales a utilizar. ... 157
Tabla 58: Magnitudes encontradas de la teoría de mezclas... 158
Tabla 59: Comparativa para un ladrillo de 1[kg] de peso de magnitudes como: cantidad de cajas usadas por ladrillo (cc), Alto ladrillo (AlLad) y volumen de matriz (vm). ... 158
Tabla 60: Comparativa para un ladrillo de 0,5[kg] de peso de magnitudes como: cantidad de cajas usadas por ladrillo (cc), Alto ladrillo (AlLad) y volumen de matriz (vm). . 159
Nomenclatura
OSB: Oriented Strand Board (tablero de virutas orientadas) MDF: Medium Density Fiberboard
IFEU: Instituto de Energía e Investigación Ambiental FSC: Forest Stewardship Council
XII
Introducción
El ciclo de vida de un producto, como concepto en la industria sostenible, representa la idea de que existe responsabilidad respecto al consumo de energía, materia prima y desechos, no solo en el nacimiento del producto, sino que también en su uso y disposición final. A esta problemática surgen dos alternativas aplicadas a la fase final del proceso, la reutilización y el reciclaje. Por otro lado, actualmente existen productos de consumo que se han
masificado debido a las características técnicas que poseen, un ejemplo de ellos es el Tetra Pak.
Hoy en día , se produce anualmente cerca de 173 millones de envases fabricados en el mundo [1] de los cuales un 24,5% fue reciclado. En el año 2012, Chile generó 6.5 millones de toneladas de basura, donde clasifican como envases de distinto tipo más de dos millones de toneladas, de los cuales el 33% es de tipo papel y cartón, en su mayor parte Tetra Pak [2].
XIII
Objetivos
Objetivo general
El objetivo general de este trabajo de título es diseñar a nivel de configuración una máquina generadora de bloques o estructuras de construcción tipo ladrillos en base Tetra Pak®.
Para lograr el objetivo anteriormente planteado se proponen los siguientes objetivos específicos:
Caracterizar el material del envase.
Definir el problema tanto para el producto como para la máquina.
Desarrollar el problema a través de la metodología del diseño conceptual.
Seleccionar un concepto y desarrollar la arquitectura del equipo.
Las estrategias a utilizar para desarrollar los objetivos específicos son:
Entrevistas y visitas.
Ensayo de tensión a probeta de Tetra Pak® .
Aplicación de teoría de mezclas.
Matriz Máquina/Producto.
Diseño de Modelo CAD: Máquina, molde y ladrillo.
1
1.
Marco Teórico
En este primer capítulo, se aborda desde diferentes enfoques el envase de Tetra Pak ®. Tanto su composición, como las múltiples aristas de su reciclaje. Finalmente se introduce el tema de los materiales compuestos.
1.1. Acerca del Tetra Pak ®
1.1.1. Historia del envase de Tetra Pak ®
En 1943 la empresa proveniente de Suecia, Tetra Pak ®, comenzó a diseñar un envase para intentar satisfacer los siguientes requerimientos: “Crear un envase para leche que requiera un mínimo de material, mientras provee máxima higiene”[1]. A mediados de la década del cuarenta se comienza a investigar con papel forrado por plásticos. Se usa el polietileno como plástico para separar capas de cartón. Esta caja no era aséptica por lo que comienza a trabajar en este importante ámbito. Un revolucionario cambio, que se produjo en el año 1959, es el comienzo del desarrollo del envase Tetra Brik ® (ladrillo). Con el tiempo y las mejoras de la máquina de envases aséptica, se abren muchas industrias de esta empresa en todo el mundo, confirmando el liderato del mercado de envases.
Tetra Pak® es la empresa líder en esta clase de envases, con 173,234 millones de envases vendidos [1]. En el mundo, existen 8825 máquinas de packaging operativas de esta empresa, así como 40 plantas productoras para el material del envase y tapas dispensadoras. Tetra Pak ® tiene 6 fábricas encargadas de construir máquinas para sus procesos productivos. Existen también 78 oficinas de ventas que coordinan las ventas de los más de 170 países donde se venden los envases.
Respecto a los recursos humanos, hay 23540 empleados en todo el mundo y 16 centros técnicos de entrenamiento. Para terminar, respecto a las ventas, el 2013 se generaron ventas netas de 11075 millones de euros. Por lo tanto, esta empresa al ser dueña y creadora de sus envases y patentes, tiene el liderato respecto a la producción mundial.
2
1.1.2. Tipos de Envases en el Mercado
Los envases de cartón más importantes desarrollados por esta industria son [7]:
Tetra Brik Aseptic:
Es un envase con forma de ladrillo que tiene diferentes tamaños.
Tetra Classic Aseptic:
Este envase tiene forma de tetraedro, el cual fue el primer tipo creado. Puede contener hasta 500 [ml] en su interior.
Tetra Fino Aseptic:
Tiene forma de sachet y no contiene plegados. Una característica relevante es que no requiere refrigeración en su distribución. Puede contener volúmenes de 200 a 1000 [ml].
Tetra Prisma Aseptic:
Es un envase similar al Tetra Brik, pero este contiene 8 caras que le dan bordes más suavizados y ergonómicos. Puede contener volúmenes de 200 a 2000 [ml].
Tetra Rex:
Nuevamente similar a Tetra Brik, pero con la cara superior en forma de tejado. Se utiliza para productos pasteurizados que requieren de cadena de frio. Estos envases pueden estar en formato de 150 a 2000[ml].
Tetra Top:
Envase parecido a Tetra Brik, pero con una tapa integrada plástica y moldeada en máquina envasadora. Su finalidad es contener productos pasteurizados de mayor viscosidad que necesitan refrigeración.
3
1.1.3. Composición y propiedades de los materiales
El Tetra Pak ® está formado por un conjunto de 6 láminas. El objetivo de estas es mantener los alimentos sin preservantes, en óptimas condiciones y por largos periodos de tiempo. De afuera hacia adentro se encuentran 6 capas [8] [9]:
Capa 1: Polietileno
Entrega impermeabilización al envase. Separa los alimentos de la humedad atmosférica. Esta capa exterior solo tiene un grosor de 12 micras.
Capa 2: Cartón
Es el esqueleto del envase, le da rigidez y forma. También en esta capa están impresos los diseños del envase.
Capa 3: Polietileno (2da)
Esta capa se utiliza para generar la adhesión de la capa de cartón con la de aluminio.
Capa 4: Aluminio
La finalidad de esta importante capa es proteger el producto de la luz, el oxígeno y bacterias. Existen distintos tipos de envases similares al Tetra Pak ®, pero la diferencia entre estos es que solo este último tiene la capa de aluminio. El espesor de la hoja se ha reducido de 9 hasta 6,5 micras en los últimos años (Tetra Pak 2006).
Capa 5: Polietileno (3ra)
Esta nueva capa de polietileno tiene la función de mejorar la adhesión del aluminio.
Capa 6: Polietileno (4ta)
Para finalizar, esta capa tiene la función de hacer el envase por dentro impermeable y además separar los alimentos de la capa de aluminio
Figura 2: Descomposición de la pared que conforma un envase. Se pueden apreciar las seis capas que lo conforman.
4 estándar con capa de aluminio masa aproximadamente 28 [gr] [10]. Las propiedades de los materiales que forman una caja de Tetra Pak ® se muestran a continuación:
Papel
El papel utilizado en los envases "Tetra Brik Aseptic" es el llamado "de fibra larga". Este se utiliza cuando se necesita papel de mejores propiedades mecánicas y más aptos para el procesamiento mecánico [11]. "Fibra larga" es uno de los tipos de materia prima para la fabricación de la pasta de celulosa.
Aluminio
Tabla 1: Propiedades físicas y mecánicas del aluminio [12]. Propiedades físicas
Densidad (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 ) 2500-2900
Propiedades mecánicas
Módulo de Young E [𝐺𝑃𝑎] 69
Módulo de Corte [𝐺𝑃𝑎] 25
Relación de Poisson [−] 0.33
Esfuerzo de fluencia 𝜎𝑦 [𝑀𝑃𝑎] 35 Resistencia a la tensión 𝜎𝑡𝑠[𝑀𝑃𝑎] 90
Polietileno
El polietileno usado en los envases es el llamado "de baja densidad", o en sus siglas en inglés LDPE (low density polyethylene).
Tabla 2: Propiedades físicas y mecánicas del polietileno [12].
Propiedades físicas
Densidad (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 ) 910-925
Propiedades mecánicas
Módulo de Young E [𝐺𝑃𝑎] 0.17-0.28
Módulo de Corte [𝐺𝑃𝑎] -
Relación de Poisson [−] -
Esfuerzo de fluencia 𝜎𝑦 [𝑀𝑃𝑎] 9.0-14.5 Resistencia a la tensión 𝜎𝑡𝑠[𝑀𝑃𝑎] 8.3-31.4
Tintas
5 capa de pintura especial para que se imprima de mejor forma sobre él y se realcen los colores.
1.2. Reciclaje de envases de Tetra Pak ®
1.2.1. Entre el consumo y el reciclaje
El envase de Tetra Pak ® no puede ser reciclado en su estado original después de ser consumido el alimento. Es por esto que la empresa Tetra Pak ® ha entregado una serie de pasos para mejorar el proceso de reciclaje. Una vez consumido el alimento, inicialmente se deben abrir las 4 pestañas laterales. Después lavar los envases con agua por dentro y por fuera. Esto es para eliminar los restos de alimentos, evitar los malos olores y descomposición una vez esté el envase apilado. Posteriormente se deben secar, para finalizar el proceso aplastando y plegando el envase contribuyendo a aumentar el número de cajas apiladas en los centros de acopio de material reciclable [13].
1.2.2. Proceso de Reciclaje
Como se puede intuir el envase de Tetra Pak ® no es bio degradable, lo que, sumado al aumento en la producción de envases, hacen que Tetra Pak ® haya generado la necesidad de su reciclaje.
El proceso de tratamiento del residuo de envase se puede dividir en las siguientes etapas:
Separación de los envases Tetra Pak ® de la basura (latas, botellas, bolsas, etc.) [13].
Trituración:
Existen dos formas de procesar dicho envase, por trituración e hidropulper.
Trituración convencional:
El envase es triturado en molinos de papel para ser usado directamente el picado como materia prima o ayudar al proceso de separación de capas (hidropulper). El producto de la trituración son trozos de aproximadamente 3 a 5 [mm] [14].
Separación de capas con hidropulper:
Consiste en un depósito de gran tamaño similar a una licuadora, donde se muelen los envases con una serie de aspas y se mezclan con agua. La finalidad es separar las 6 capas del Tetra Pak ® (cartón, polietileno y aluminio). Este proceso dura aproximadamente de 30 a 40 minutos, y al finalizar, por flotación, el plástico junto con el aluminio picado ascienden y el papel húmedo desciende [5]. Por lo tanto, el Hidropulper separa la pasta de papel picado del plástico y aluminio. El volumen del recipiente del Hidropulper varía entre 5 y 40 [𝑚3]. Otra característica a considerar es que esta máquina no usa ninguna solución química adicional, solo agua.
6 (consistencia menor a 6%) se usan cuando no se exigen fibras tan pequeñas. Por otro lado, los rotores de alta consistencia (consistencia entre 12 y 15 %) generan una pulpa suave o de fibras muy pequeñas, pero requiere más tiempo de funcionamiento que el rotor de baja consistencia. La consistencia se define como un porcentaje de la cantidad de fibras diluidas por volumen de agua.
Después del proceso del Hidropulper se procede a separar las fibras de papel del aluminio y el polietileno, para obtener materias primas para distintos productos. En el caso de las fibras es necesario realizar un proceso de filtrado para prevenir restos de aluminio o polietileno, y en el caso de estos últimos, se procede a una fase de lavado en un tambor rotativo para después ser prensados.
Usos del producto después del proceso de triturado convencional:
Una vez el envase ha sido triturado se puede utilizar directamente como materia prima para otros productos:
Yekpan:
Una de las tecnologías utilizadas es la de compresión térmica, que genera un aglomerado compacto similar al OSB (Oriented Strand Board) llamado Yekpan. El producto de la trituración se pone en moldes, los cuales se calientan durante 20 minutos a 170 [°C] [15]. El calor funde el polietileno generando una placa aglomerada y compacta. Las placas pueden tomar formas curvas o rectas sin necesidad de pegamentos, solo utilizando calor. Este producto fue usado en Chile para el proyecto “Un techo para Chile” de Hogar de Cristo, dedicado a prefabricar casas de bajos recursos.
Usos del producto después del proceso de hidropulper:
Existe una variedad de usos y post procesos como, por ejemplo:
Polietileno y aluminio:
Estos productos se almacenan en fardos que son enviados a industrias como materia prima para distintos usos, como se muestra a continuación:
Incineración para generar energía en hornos de cemento:
Se utiliza como fuente de energía, reduciendo el consumo de combustibles fósiles. Se requiere que el horno o caldera tenga un sistema de lavado de gases o precipitadores electro estáticos, que permiten atrapar el particulado de aluminio. Además en la combustión, el aluminio reacciona con el oxígeno produciendo trióxido de aluminio, que se usa en las plantas de tratamiento de agua [5].
Recuperación del aluminio por pirolisis:
7
Fabricación de productos de plástico por termo inyección:
El polietileno es un termo plástico que al calentarse se funde y puede ser utilizado para generar nuevos productos plásticos. En el proceso de inyección de plástico en moldes el aluminio no influye en la mezcla, volviéndolo esta mezcla una excelente materia prima reciclada [6].
Cartón:
El papel molido generado en el hidropulper, es utilizado para fabricar cartón corrugado, cartón liso, cajas de huevo, suelas, papel de seda (volantín), núcleos de papel, etc [16].
1.2.3. Reciclaje en Chile y el mundo
En 2013, cerca de un 24,5 [%] de dichos envases se recicló en el mundo[3], lo cual es bajo pensando que la degradación de estos va desde 30 a 45 años. Esta empresa espera el 2020 llegar al 40 [%] de reciclaje mundial. En Chile, durante el año 2012, se generaron 2.059.371 toneladas de envases de distinto tipo, los cuales el 33 [%] es de tipo papel y cartón, en su mayor parte Tetra Pak ® [2].
Por otro lado, el círculo del reciclaje del Tetra Pak ® no es cerrado, por lo que, del reciclaje de este, no se puede generar un nuevo envase. Entonces, cada nuevo envase producido requiere materias primas nuevas, sobre todo de papel. Respecto a la huella de carbono generada por un envase, la empresa Tetra Pak ® afirma en su web que un envase Tetra Brik de 1000 [ml] tipo base (forma), tiene una emisión de 29 [gr CO2e] [17]. Esta huella de carbono es baja en comparación a otros envases como uno de vidrio [18] de 500gr (523 gr CO2e) o una botella PET de 0,5 litros (78gr CO2e) [19]. Los últimos años Tetra pak ® ha obtenido el sello FSC (Forest Stewardship Council) que se otorga a empresas que utilizan papel de fuentes de bosques con manejo responsable. Esto significa gestión forestal económicamente adecuada, socialmente provechosa y ambientalmente responsable.
En chile existen pocas empresas que atienden la necesidad de reciclaje del Tetra Pak ®. Debido al proceso de Pulper, donde se separan los componentes del envase (cartón, polietileno y aluminio), hay diferentes empresas que se encargan de reutilizar los residuos una vez separados.
En el año 2013 la empresa Tetra Pak ®, Forestal y Papelera de Concepción y el ministerio de Medio Ambiente, inauguraron el primer pulper de tratamiento de envases larga vida en chile. La finalidad de esta máquina es separar los componentes del envase y captar el cartón para su próximo reciclaje. El producto final que generan ellos es papel y cartón 100% reciclado, pero también entregan el polietileno y aluminio a otras empresas para tratamiento [4].
8 diversos artículos que se podrían realizar de igual forma con madera. La empresa encargada de esto es Teca Plak Chile.
Otro proceso que se realiza en Chile después de la separación en Pulper es el de Termo inyección, realizado por la empresa Comber Plast. La finalidad de este proceso es generar envases plásticos usando como materia prima el polietileno y aluminio.
1.3. Productos fabricados con Tetra Pak ® reciclado y tableros de madera.
Como se explicó previamente, existe una forma alternativa al hidropulper para tratar los envases de Tetra Pak ®. Consiste en la trituración y posterior calentamiento de las partículas, formando una placa maciza, similar al OSB de madera, llamada originalmente Yekpan.
Esta tecnología comenzó a estudiarse por la misma empresa Tetra Pak ® en 1987 en Kenya, y después comenzó a desarrollarse en distintos países como China, Turquía, Alemania, Argentina, entre otros [20]. Las toneladas producidas de OSB en base a Tetra Pak ® y los nombres alternativos en cada país para Yekpan se pueden ver en la siguiente tabla.
Tabla 3: Producción mundial en 1999 de Yekpak (OSB Tetra Pak ®) [20].
1.3.1. Tipos de tableros
En el mercado de tableros de madera hay distintos tipos de paneles compuestos de madera, los cuales por J.Robert se definen como “Cualquier material de madera formado entre si con adhesivos”[21]. Los más usados en el mercado son: Particleboard, MDF y OSB. El primero de estos consta de un panel generado en base a aserrín. El MDF (panel de fibra de densidad media), o también conocido con el nombre de Trupán, se fabrica en base a fibra de madera, por lo que lo hace más costoso que los tableros o planchas de particleboard. El MDF es más usado que el particleboard para hacer mobiliarios por sus mejores propiedades
Lugar Nombre comercial Ton/año
Argentina T-PLAK 910
Brasil Reciplak 200
China (2 fábricas) Chiptec 1500
Alemania Tectan 500
Kenya Lamiboard 350
Pakistan Green Board 750
Slovakia Tetra K1, K2, K3 645
Turquía Yekpan 1400
9 mecánicas y poco astillamiento [22]. Finalmente, el OSB es un panel a base de trozos pequeños o astillas de madera, cuya formación se genera al sobreponer varias capas hechas de astillas. Cada capa tiene una orientación en 90° respecto a la capa anterior generándose un material homogéneo y más resistente a cargas que los anteriores. Sus propiedades son similares a la de la madera normal y su densidad es cercana a la de las maderas ligeras [21]. En la siguiente tabla se puede observar las propiedades mecánicas de estos paneles compuestos de madera.
Tabla 4: Propiedades mecánicas de los paneles compuestos de madera [21].
1.3.2. Producción del Yekpan
En la fabricación del Yekpan se utiliza por completo el envase y no hay desperdicios después del proceso. Las plantas de en base a Yekpan son pequeñas, tienen capacidad para 2-5 toneladas día. El proceso consta de las siguientes etapas:
Triturado (lavado y secado)
El control de la humedad es imprescindible para evitar problemas en la compresión en calor.
Moldeado
Se esparce el material triturado en una plancha homogéneamente antes de la compresión con calor, esto es importante si se quiere obtener una placa de densidad uniforme. La plancha donde se deposita el material puede estar cubierta con un papel de Teflon para evitar que se pegue en el proceso de moldeado. Otro método es utilizar papel Kraft sobre la plancha antes de depositar el material.
Compresión con calor y frio
Prensa en caliente:
Se comprime la plancha antes generada en el proceso de moldeado, donde se alcanzan temperaturas desde 160 a 180 [°C]. Existen distintos tipos de prensa según la cantidad de planchas que pueden comprimir, hay desde 1 a 6 simultáneamente. Si la plancha final debe tener 10 mm de espesor, se debe dejar 10 minutos en proceso de prensa en caliente (1 min por milímetro). La finalidad del polietileno es derretirse y unir las fibras y el aluminio en
Material Gravedad
específica
Módulo de
elasticidad [GPa]
Módulo de
ruptura [MPa]
Particleboard 0,6-0,8 2,76-4,14 15,17-24,13
Medium-density fiberboard (MDF)
0,7-0,9 3,59 35,85
Oriented Strandboard (OSB)
10 forma de matriz elástica. Complementariamente, el aluminio provoca que el calor se propague uniformemente[14].
Prensa en frio:
Se utiliza para hacer el prensado final y obtener el espesor especificado. Es relevante que la plancha entre a la prensa en frio seguido del proceso de prensa en caliente, por lo que ambas prensas deben ser de capacidades similares para evitar enfriamientos. Lo anterior provoca que la deformación plástica de la plancha sea menor (menor temperatura) en comparación a una plancha recién salida de la prensa en caliente. Se recomienda una temperatura sobre 80 [°C] al ingresar y la plancha debe ser retirada de la prensa en frio a una temperatura de 20[°C] para asegurar que esta no se exponga a esfuerzos de magnitud de fluencia al retirarla (caso que estuviera a más altas temperaturas al retirarse). Esta característica es de suma importancia, ya que se hace imperioso tener sistema de enfriamiento del bloque generado.
Manejo o dimensionado
Las placas se retiran de la prensa en frio con una ventosa de vacío. Para finalizar se procede a cortar las planchas a la medida que se requiera para su comercialización. Se generan desde planchas para muebles, casas, juegos para niños, y hasta tejas para casas con un proceso similar al antes comentado.
1.3.3. Propiedades del Yekpan
Este producto tiene importantes propiedades físicas y mecánicas, las cuales pueden ser de mucha utilidad si se usan como planchas para la construcción de hogares. Algunas propiedades de este producto son: Acústicas, térmicas y mecánicas. Estas se basan en estudios de la empresa Industriales Orión, los cuales desarrollaron un producto de similares características al Yekpan, llamado Ecoplak. Ellos definen su producto como: “Producto de la compactación mediante termocompresión del componente plástico, sin el uso de resinas fenólicas (urea-formaldehido), las cuales son de gran costo y alto impacto ambiental, logrando así el beneficio de un material totalmente resistente a la humedad y agentes químicos” [23].
Estudios al panel Ecoplak arrojaron las siguientes propiedades mecánicas y físicas:
Tabla 5: Propiedades mecánicas y físicas de Ecoplak, panel similar a Yekpan.
Parámetro valor
Módulo de rotura [𝑁 𝑚𝑚⁄ 2][𝑀𝑃𝑎] 20
Módulo de Young [𝐺𝑃𝑎] 1,49
Humedad máxima [%] 4
11 1.4. Materiales compuestos
Los materiales compuestos son arreglos o mezclas de materiales, los cuales están formados tanto por un refuerzo (fibra o lámina), y también una matriz, el cual puede ser un polímero (termoplástico, termoestable o aglomerante)
Los constituyentes de este tipo de material son generalmente arreglos donde una o más fases discontinuas son incrustados en una fase continua [24]. La fase discontinua es el refuerzo, mientras que la fase continua es la matriz. La cualidad principal de la fase discontinua es brindar resistencia y rigidez a la fase continua.
Importante es destacar la diferencia entre los siguientes tres conceptos: Fibra, lámina y laminado. El primero hace referencia a un caso especial de refuerzo, donde la relación largo-diámetro es alta y pueden ser clasificados en fibras cortas o largas. Encontramos también las llamadas láminas, qué son un arreglo unidimensional o tejido de fibras suspendidas en una matriz. Y por último, un laminado es un conjunto de láminas apiladas, cuya orientación de las fibras, brinda distintas propiedades mecánicas. Se puede apreciar con claridad en la siguiente figura:
Figura 3: Muestra cómo se relacionan los conceptos de fibra, lámina, matriz y laminado.
1.4.1. Matriz
12
1.4.2. Refuerzo
Forman parte de la estructura del material compuesto, y pueden ser tipo fibroso o particulado. Los refuerzos más utilizados son: boro, vidrio, grafito, Kevlar ®, aluminio, titanio, entre otros. A continuación, se describen los tipos de refuerzos existentes:
Fibrosos
Son fibras de material, las cuales pueden ser de tipo continuo o picado. Las primeras, se caracterizan por tener una gran razón largo-diámetro. Su diámetro oscila generalmente entre 3-200 [µ𝑚] dependiendo del material y tipo de fibra larga. Por otro lado, las de tipo picado, fibras cortas o bigotes, se caracterizan por ser más cortas que las fibras largas y tener en general una razón largo-diámetro de 5 a 1000. Su diámetro oscila entre 0,02 y 100 [µ𝑚].
Por otro lado, las fibras continuas pueden ser configuradas de forma unidireccional o en forma de láminas. Del mismo modo, las fibras cortas pueden formar arreglos al azar y sin orientación común, así como también ser ordenadas para que tengan cada una de las fibras la misma orientación.
Figura 4: De izquierda a derecha, fibra corta al azar, fibra corta con orientación común, fibras largas unidireccionales y laminado [24].
1.4.2.1. Particulados
13
Figura 5: De izquierda a derecha, particulado general, hojuelas, y esqueleto o filled.
Figura 6: Cartón tipo panal de abeja (honey comb).
2.
Caracterización del material
Uno de los primeros pasos para poder comenzar el diseño, es saber con qué materia prima se está trabajando. Dado que esta es el material del envase de Tetra Pak ®, se procede a caracterizarlo realizando un ensayo de tensión.
2.1. Ensayo de Tensión
2.1.1. Teoría
14 El ensayo de tensión consta en ejercer un esfuerzo o fuerza en tracción en el eje axial de la probeta. Como se sabe de la teoría de resistencia de materiales, en el cuerpo se genera una deformación total
δ
producto de las fuerzas axiales.
Pero dado que este parámetro no es independiente del largo de la probeta, se divide por el largo total 𝑙0, obteniendo una deformación por unidad de largo de probeta ε (deformación unitaria). Generando un término que permite comparar gráficas de materiales, independiente del largo de la probeta.𝜀 = 𝛿 𝑙0 [−]
Por otro lado, se sabe que el esfuerzo normal que se ejerce por la máquina sobre la probeta se obtiene a partir de la siguiente expresión:
𝜎 =𝐹 𝐴 [𝑃𝑎]
Donde 𝐹 es la fuerza en la dirección “y” de la máquina (ver anexo 11.1) o axial y 𝐴 es la sección transversal de la probeta.
Sabiendo lo anterior, la función principal de la máquina es registrar y aplicar fuerzas graduales (cuasiestático) a la probeta, para simultáneamente con ayuda de algún método de medición de deformación (Strain Gage), obtener la gráfica 𝐹 vs 𝜀.
Al observar dicha gráfica, se pueden identificar rangos y parámetros importantes para el estudio. En la siguiente gráfica 𝐹 vs 𝜀 se puede observar que al comenzar el ensayo, para bajas fuerzas y deformaciones, existe una proporcionalidad directa entre 𝐹 y 𝜀. Dicha zona se llama “Rango elástico” (deformaciones reversibles), ya que la probeta al dejar de estar exigida por fuerzas en tensión, vuelve a su largo inicial 𝑙0, por lo que ε se vuelve cero. En dicha zona, se cumple la “Ley de Hooke”, que relaciona esfuerzos y deformaciones:
𝜎 = 𝐸 ∙ 𝜀 [𝑃𝑎]
F
-F
𝑙
0𝑙
0+
δ
15 La pendiente de esta recta, E, se conoce como “Módulo de Young”, el cual es una característica del material y de la dirección en que se ejerce la fuerza. Para materiales isotrópicos, el módulo de Young es igual independiente de la dirección donde se ejercen las fuerzas. En cambio, para materiales anisotrópicos, el módulo de Young es independiente para cada una de las tres direcciones cartesianas de fuerza x, y, z.
El rango elástico finaliza cuando ya no se cumple la linealidad entre las variables; Dicha fuerza al final del rango se llama “Fuerza de fluencia”. Probetas exigidas a fuerzas mayores que la de fluencia, implican deformaciones plásticas o irreversibles. Al seguir incrementando el valor de la carga en tracción, se puede observar que la pendiente de la curva comienza a disminuir tendiendo a cero. Este valor de fuerza es el llamado “UTS”, “Fuerza última” o “Fuerza máxima”. Después de la fuerza última comienzan a disminuir los valores de la carga en tensión debido a que la sección transversal de la probeta comienza a disminuir; este fenómeno se llama estricción. La deformación sigue aumentando a medida que la fuerza disminuye, hasta que ocurre la ruptura. Este valor de fuerza se llama “resistencia a la fractura” o “fuerza de ruptura”.
Figura 8: Diagrama fuerza vs deformación unitaria.
2.1.2. Norma ASTM D5083
Para estimar las propiedades del material se emplea la norma ASTM D5083. Esta norma se aplica para materiales con un módulo de Young menor a los 20 [GPa] y espesores de probeta entre 2 a 10 [mm]. Las láminas de Tetrapak ® poseen un espesor de 0,444 [mm]
F [N]
δ
[%]
𝐹𝑢𝐹𝑟𝑢𝑝
16 en promedio, lo cual se encuentra por fuera de la norma ya mencionada. Sin embargo, dado que no existe una norma exacta para ensayar este tipo de materiales compuestos, se empleará como base esta norma, haciendo algunas modificaciones. Es por ello que, se realiza un ensayo no normalizado, dado que no es posible seguir al pie de la letra la norma antes citada. En este caso, la probeta consta de las siguientes dimensiones:
Figura 9: Dimensiones de probeta según ASTM 5083.
A continuación, se especifican los parámetros importantes de esta norma:
Tabla 6: Parámetros a configurar para el ensayo de Tracción
Parámetro Rango Unidad
Low modulus < 20 [GPa]
𝐿1, largo total ≥250 [mm]
w, ancho 25±0,5 [mm]
h, espesor 2 a 14 [mm]
𝐿0, zona del gage 50±1 [mm]
Testing Machine Constant rate of crosshead movement type
[-]
Mordazas Autoalineantes [-]
Mordazas Tipo planas [-]
Velocidad de máquina
regulable [-]
Indicador de carga
Precisión 1% o mejor
Micrometro Resolución 0,025 [mm]
Número de probetas
5 para materiales isotrópicos
[-]
Velocidad de la máquina para obtener módulo E
17 2.2. Equipos, herramientas y componentes a utilizar
2.2.1. Descripción previa de los ensayos y rangos admisibles
Para la ejecución de los ensayos se empleó una máquina universal de la serie Zwick
Roell Z30, con una celda de carga Xforce P con capacidad de 30 [kN] (fuerza nominal), y
dependiendo del rango de fuerzas donde se ensaye la máquina puede tener una clase de precisión (0,5 o 1) (error de medición). Originalmente la celda de carga viene certificada en clase 0.5 (0.5[%] de error) de 600[N] a 30[kN] y clase 1 (1[%] de error) de 120[N] a 30[kN]. Bajo 120[N] no se certifican esta máquina, ya que dicho equipo no está diseñado para estos rangos inferiores. Según el representante de la marca en chile, el error estaría cercano al 2[%]. El valor inferior del rango de medición para esta celda de carga es 0,4[%] de la fuerza nominal obteniéndose 120 [kN]. Por lo tanto, los ensayos de esta máquina hasta la falla de la probeta (0-400 [N]), cumplen con la norma ISO 7500. Mientras que los ensayos dentro del rango elástico no cumplen dicha norma, ya que esta se realiza entre 10-60 [N].
Figura 10: Muestra el porcentaje de la fuerza nominal para el cual la medición está dentro de los rangos mínimos para la norma ISO7500 [25].
18 2.3. Resultados
En la máquina Zwick Roell Z30 se realizaron dos tipos de ensayo, inicialmente uno hasta la rotura y posteriormente otro ejerciendo fuerzas dentro del rango elástico. La finalidad del primero es poder conocer cuál es el rango elástico y definir una zona libre de deformaciones plásticas para el segundo. La finalidad de este ensayo es obtener el módulo de Young del material de Tetra Pak ®.
Un factor primordial a la hora de analizar los datos es que la máquina tiene su propia forma de medir la deformación, pero no hay que olvidar que cuando se ejercen fuerzas, todo el conjunto se deforma, por lo que lo que se registra en deformaciones no es real. Un valor de deformación mucho más confiable, es el obtenido en los ensayos dos en el rango elástico con Strain Gage.
La fórmula para obtener el módulo de Young E es:
𝐸 =
Δ𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 [𝑁] Δ[µε]
𝐴[𝑚𝑚2] × 106 [𝑀𝑃𝑎]
Donde E es el módulo de Young en [MPa], Δ𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 [𝑁]Δ[με] es la pendiente de la gráfica Fuerza vs [με], A es el área de la sección transversal en [𝑚𝑚2]. El área de dicha sección es
el ancho de la probeta (25[mm]) multiplicado por el espesor (0,46[mm]), lo que resulta 11,5 [𝑚𝑚2]. Los valores obtenidos de módulo de Young E para el ensayo en la máquina de Campus Casa Central son:
Tabla 7: Resultados para los ensayos realizados en casa Central con “strain gage”.
Ensayo E [MPa]
A 4852,92
B 4979,79
C 4652,58
D 4705,57
E 4970,98
Promedio 4832,36
19
Tabla 8: Comparativa de módulos de young para distintos materiales.
Material E [MPa]
Grafito extruido 11000
Poliéster 2060-4410
Tereftalato de polietileno (PET) 2760-4140
Policloruro de vinilo (PVC) 2410-4140
Fibra de vidrio con matriz epóxica 45000
Madera abeto en sentido de las fibras 10800-13600
Por lo tanto, la fibra de Tetra Pak ®, está en general sobre los plásticos PET, PVC y poliéster, pero bajo la fibra de madera en casi la mitad. Esta conclusión es de suma importancia para poder categorizar con qué tipo de fibra se está trabajando. Debido a los resultados obtenidos, y la fácil adquisición de este material, se puede concluir que tiene mucho potencial como fibra para desarrollar materiales compuestos.
3.
Metodología de diseño
En este tercer capítulo, se explica en qué consiste el Diseño, cuál es su importancia, y finalmente se expone cuál es el procedimiento a seguir o morfología del diseño, para obtener un producto exitoso según Morris Asimow.
3.1. Definición
El concepto “Metodología de diseño” no es fácil de definir, ya que en su origen se ve la subjetividad de su aplicar. El término “Método” se define como “Procedimiento que se sigue en las ciencias para hallar la verdad y enseñarla”[26]. Y de la misma fuente, el diseño se define como “Concepción original de un objeto u obra destinados a la producción en serie”. Esta definición de diseño tiene un carácter muy acotado, y no refleja el interés ingenieril. Según George Dieter y Linda Schmidt en su libro “Engineering Design”, se define diseño como: “Design establishes and defines solutions to and pertinent structures for problems not solved before, or new solutions to problems which have previously been solved in a different way”. Esto decir que, establece y define las soluciones para problemas que no tenían solución, así como también nuevas soluciones a problemas que antes ya se había encontrado una solución.
20
Las decisiones tomadas en el proceso de diseño cuestan muy poco en términos del costo global del producto, pero tienen un efecto importante en el costo del producto.
No se puede compensar en la fase de manufactura los defectos introducidos en la fase de diseño.
El proceso de diseño debe llevarse a cabo con el fin de desarrollar productos de calidad, costo competitivo y en el menor tiempo posible.
3.2. Proceso de diseño
La concepción del diseño y las bases de la metodología actual fueron pensadas por el educador e ingeniero en sistemas Morris Asimow. El cual fue el primero en dar una descripción completa del proceso de diseño, que él llamó morfología del diseño. En el siguiente esquema quedan resumidos las fases del diseño [27]:
Figura 11: Diagrama de la metodología de diseño.
D
iseño
conc
eptua
l Definir problema
Declaración del problema Benchmarking QFD PDS Planteamiento del proyecto D iseñ o con ce ptu al Recopilar información Internet Patentes Manuales Literatura D iseño conc eptua
l Generación de
concepto Brainstorming Descomposición funcional Carta morfológica D iseñ o con ce ptu
al Evaluación de concepto
Pugh concept selection
Matriz de decisión
Dis eñ o d e co n figur ació
n Arquitectura del producto
Arreglo de los elementos físicos para cumplir con la
función Dis eñ o d e co n figur ació n Configuración del diseño Selección preliminar de materiales Moldeo de partes
21
3.2.1. Primera Fase: Diseño conceptual
Proceso por el cual se inicia el diseño, hasta el punto en que se crean una serie de posibles soluciones y se escoge el mejor concepto. Esta es la fase con más variabilidad, ya que depende de los diseñadores y su creatividad el resultado óptimo. Esta primera fase se puede dividir en:
1. Identificación de las necesidades del cliente: La finalidad es recopilar y entender las necesidades del cliente.
2. Definición del problema: Se crean afirmaciones de lo que tiene que llevarse a cabo para satisfacer las necesidades del cliente. Para esto se analiza y estudia la competencia, así como clasificar las necesidades del cliente para relacionarlas con los requisitos de diseño.
3. Recopilación de información: Esta fase es fundamental para adquirir un amplio espectro de información. Esta fase es muy relevante para las fases posteriores. 4. Conceptualización: Consiste en crear un set de conceptos que pueden satisfacer el
problema establecido.
5. Selección de concepto: El equipo de diseño evalúa iterativamente los posibles conceptos y escoge uno.
6. Refinamiento de las especificaciones de diseño: Con el concepto de diseño escogido anteriormente, se mejoran las especificaciones buscando puntos críticos, así como estudiar la relación entre el desempeño del concepto y su costo.
7. Revisión del diseño: La última parte del diseño conceptual, asegura que el diseño sea físicamente realizable y económicamente rentable.
3.2.2. Segunda Fase: Diseño de configuración
Esta fase es de decisiones, ya que las funciones antes escogidas deben poder llevarse a cabo. Por lo tanto, se toman decisiones como el tipo de material, tamaños, formas, compatibilidad espacial. Esta segunda fase se puede dividir en tres tareas principales:
1. Arquitectura del producto: El producto se divide en subsistemas. Se escoge qué componentes físicos convienen para realizar las funciones de diseño.
2. Diseño de configuración de partes y componentes: Se determinan las características fundamentales de las piezas, las cuales servirán para interactuar con otras y satisfacer las especificaciones de diseño.
22
3.2.3. Tercera Fase: Diseño de detalle
En esta última fase de diseño, se realiza una descripción completa de ingeniería, con el fin de que el producto diseñado sea llevado a cabo y probado. Se añaden las últimas especificaciones de diseño y se comparan algunas piezas diseñadas con lo que ofrecen los proveedores del mercado.
1. Se realizan planos técnicos de ingeniería para la fabricación del componente
2. Se realizan pruebas de verificación para prototipos, cuyo objetivo es chequear el comportamiento de los parámetros críticos.
3. Se desarrollan esquemas de montaje e instrucciones.
4. Se realiza una detallada especificación del producto, con todas las modificaciones realizadas.
5. Se toman decisiones referentes al origen de la pieza a utilizar, ya que esta puede ser comprada o fabricada.
6. Se realiza una evaluación de costos del producto.
7. Se realiza una revisión final, antes de que el producto sea enviado a fabricación.
4.
Desarrollo del Diseño Conceptual
4.1. Definición del problema
Diseñar a nivel de configuración una máquina generadora de bloques o estructuras de construcción tipo ladrillos en base Tetra Pak ®. Estos bloques tienen la función de conformar muros de cerramiento o no estructurales. La finalidad de este es transformarse en una nueva opción para satisfacer las necesidades de reciclaje de Tetra Pak ®. Las materias primas utilizadas serán envases de Tetra Pak ® post consumo y aglomerantes. La máquina debe ser capaz de agregar algunas propiedades a los bloques del tipo: color, superficie resistente a la humedad, retardo de propagación del fuego, resistencia a las altas y bajas temperaturas, absorber vibraciones, entre otras.
Para realizar un trabajo más acabado, se realizarán dos diseños conceptuales, uno referente a la máquina generadora de bloques, y otro al bloque en sí mismo. Sin embargo, el tema principal a desarrollar es la máquina generadora de bloques.
4.2. Entendiendo el problema
23 (organización no gubernamental), es Fenix brik. Proyecto impulsado por Maglio Aranda, sansano que buscó a través del reciclaje ayudar a los más necesitados de Viña del Mar. Su producto es un panel de características más artesanales que las de Teca Plak, cuyas funciones son múltiples. Una aplicación desarrollada hace años consiste en forrar o aislar viviendas sociales (media aguas). Se brinda este servicio a Adultos mayores de escasos recursos, ya que muchos quedan desvalidos del alero protector del municipio. Otra aplicación del panel consiste en servir como material cobertor de domos.
Figura 12: Domo en las instalaciones de Phoenix Brik. Su estructura es de fierros reciclados y su cubierta de planchas en base a triturado de Tetra Pak ®..
Existen diferencias considerables entre ambas empresas. Primero en tecnología y después en volúmenes de producción. Teca Plak tiene desde prensas hidráulicas semi automáticas, hasta trituradores industriales. Mientras que Maglio en Phoenix Brik construyó una prensa hidráulica artesanal y utiliza un triturador pequeño. Así mismo, Teca Plak está enfocada en la producción para venta, mientras que Phoenix Brik genera paneles con fines sociales a baja escala. Con respecto a la cantidad de trabajadores, Teca Plak tiene turnos 2 veces al día de 2 personas aproximadamente. Mientras que Phoenix Brik tiene un solo turno en la mañana, y trabaja con jóvenes con discapacidad intelectual en alianzas con colegios especiales, lo que demuestra que el carácter social de la ONG. Ambas organizaciones, a pesar de sus grandes diferencias, fueron muy nutritivas para este trabajo de título.
24
4.2.1. Encuestas a personas relacionadas con el concepto a desarrollar
Para poder profundizar los conceptos e ideas, se realizaron encuestas a distintos tipos de personas según su función. Todas se relacionan de alguna forma o con el reciclaje de Tetra Pak ®, o con construcción, desde una de las empresas antes mencionadas recicladoras de Tetra Pak ®, pasando por un arquitecto y constructor civil, hasta un albañil.
Las personas entrevistadas se reflejan en el siguiente cuadro, de las cuales algunas se guardan la identidad para respetar su decisión de anonimato:
Tabla 9: Personas encuestadas para recopilar las necesidades del cliente.
Empresa o rubro Nombre o
Iniciales
Profesión o cargo
Teca Plak Jaime Elgueta Gerente de Operaciones
SCL V. M. Maestro Albañil
Servicios de Arquitectura J. M. Arquitecto
Moller y Pérez Cotapo S.A. N. R. Ingeniero en construcción y Arquitecto
Con el formato de dos tipos de encuesta, una acerca del tipo de empresa (en Teca Plak) y otra a los especialistas (albañil, arquitecto, constructor), se llevan a cabo con el fin de tener una visión más amplia bajo distintos enfoques. La encuesta realizada a la empresa Teca Plak, aborda primero todas las características relacionadas con el producto que se genera, para después finalizar con el proceso productivo.
Respecto a la encuesta a los especialistas, inicialmente se pregunta acerca del ladrillo común de arcilla. Después se aborda el tema de las características relevantes que debe tener un ladrillo para ser usado o facilitar su uso. Las respuestas se encuentran en el anexo 11.2.
4.3. Listado de Atributos
Gracias a la investigación en base a encuestas y bibliográficos se lograron identificar atributos o necesidades que deben satisfacer ambos diseños conceptuales. Los atributos recopilados referentes a la máquina son:
1. Permita aplicar material que reduzca la probabilidad de propagación de fuego 2. Permita aplicar material que mejore aislación térmica
3. Permita aplicar material que favorezca la reducción del ruido exterior
4. Use como materia prima envases de desecho de Tetra Pak ® y elemento aglomerante
5. Permita aplicar material que mejore la resistencia al agua 6. Tenga bajo costo de operación
25 8. Permita un fácil mantenimiento
9. Genere bajo ruido
10.Permita reciclar el material no utilizado o desecho 11.Tenga las superficies calientes aisladas
12.Tenga bajo costo de equipo
13.Requiera no más de tres personas simultáneamente para su funcionamiento 14.Modifique la superficie del producto para obtener un acabado superficial poroso 15.El desplazamiento producto entre cada fase o función principal es automático 16.Permita la instalación de diferentes moldes
17.Al instalar un nuevo molde, se realice dicho cambio de forma simple. 18.Fácil de limpiar
19.Genere un producto que no supere 0,45 [US$] como costo de producción 20.Permite almacenar la materia prima
21.Cuenta con un sistema para el control de la energía de fabricación del ladrillo (presión, fuerza, etc.)
22.Es posible controlar la temperatura del proceso
23.Las partes en movimiento se encuentran completamente cerradas 24.Se comande con un sistema de control
25.Tenga un ciclo continuo de funcionamiento 26.Incorpore un contador de ladrillos generados 27.Genere varios ladrillos simultáneamente 28.Permita adicionar colorantes a la mezcla
29.Permita el reemplazo de componentes dañados (piezas simples para cambio a bajo costo)
30.Posea un sistema de dosificación de la materia prima 31.Posea un sistema de parada de emergencia
32.Que genere bloque o ladrillo
Por otro lado, las características encontradas respecto al producto o bloque son: 1. Que sea económico (no más de 0,45 [$/un])
2. Se ensamble fácilmente
3. Tenga alta relación resistencia/peso
4. Se pueda emplear para distintos tipos de construcciones 5. Tenga distintas formas compatibles según requerimiento
6. Facilite el posicionamiento permitiendo distintas configuraciones y diseños (tipos de ensamble)
7. Proporcione fácil almacenamiento antes de la construcción 8. Pueda ser pintado
9. Tenga una superficie resistente a la humedad y al ataque de hongos 10.Mitigue la propagación de fuego
11.Sea resistente al sol y el calor 12.Sea resistente a bajas temperaturas
13.No produzca gases o componentes tóxicos 14.Absorba vibraciones acústicas
15.Permita incluir refuerzos horizontales y/o verticales
26 17.Al instalarse no debe requerir conocimientos previos de albañilería
18.No requieran cemento para unirse
19.Deben tener como dimensiones máximas: 300x150x100 [mm] 20.Sea de geometría regular en sus caras
21.Dimensionalmente, no tenga tanta diferencia entre uno y otro (se cumpla tolerancia dimensional IT especificada)
22.Se genere como una pre-pared o varios ladrillos ya unidos. Una configuración de ladrillos ya hecha que permita la integración de más ladrillos individuales
23.Permita la introducción de cañerías corrugadas para cableado eléctrico 24.Permita la introducción de cañerías de cobre para el piping
25.Permita ser cortado
26.Al trabajar con este y generar configuraciones, no sea un trabajo sucio
4.4. Objetivos, Restricciones y Funciones
Los atributos anteriores, se deben clasificar en objetivos, restricciones y funciones. Los objetivos son características propias que el producto espera cumplir. En tanto, las restricciones son límites que el diseño debe cumplir para cumplir con dichas especificaciones. Finalmente, las funciones, son atributos que simbolizan acciones, que realiza el diseño, para que cumpla con su funcionalidad general. La clasificación de los atributos para la máquina es:
Tabla 10: Objetivos de diseño para la máquina generadora de bloques.
Objetivos
Tenga bajo costo de operación Tenga bajo costo de mantenimiento Fácil mantenimiento
Genere bajo ruido
Tenga las superficies calientes aisladas Tenga bajo costo de equipo
Permita la instalación de diferentes moldes
Al instalar un nuevo molde, se realice dicho cambio de forma simple Fácil de limpiar
Permite almacenar la materia prima
El desplazamiento del producto entre cada fase o función principal es automático Cuenta con un sistema para el control de la energía de fabricación del ladrillo (presión, fuerza, etc.)
Es posible controlar la temperatura del proceso
Las partes en movimiento se encuentran completamente cerradas Se comande con un sistema de control
27 Incorpore un contador de ladrillos generados
Genere varios ladrillos simultáneamente Permita el reemplazo de componentes dañados Posea un sistema de dosificación de la materia prima Posea sistema de parada de emergencia
Tabla 11: Restricciones para la máquina generadora de bloques de Tetra Pak ®.
Restricciones
Use como materia prima envases de desecho de Tetra Pak ® y elemento aglomerante
Genere un producto que no supere 0,45 [US$] como costo de producción Requiera no más de tres personas simultáneamente para su funcionamiento
Tabla 12: Funciones para la máquina generadora de bloques de Tetra Pak ®.
Funciones
Permita aplicar material que reduzca la probabilidad de propagación de fuego Permita aplicar material que mejore aislación térmica
Permita aplicar material que favorezca la reducción del ruido exterior Permita aplicar material que mejore la resistencia al agua
Permita reciclar el material no utilizado o desecho
Modifique la superficie del producto para obtener un acabado superficial poroso Permita adicionar colorantes a la mezcla
Que genere bloque o ladrillo
Si se clasifican los atributos para el ladrillo o bloque se obtiene:
Tabla 13: Objetivos para el bloque generado por la máquina.
Objetivos
Tenga alta relación resistencia/peso
Se pueda emplear para distintos tipos de construcciones Tenga distintas formas compatibles según requerimiento
Facilite el posicionamiento permitiendo distintas configuraciones y diseños (tipos de ensamble)
Proporcione fácil almacenamiento antes de la construcción Pueda ser pintado
Tenga una superficie resistente a la humedad y al ataque de hongos Mitigue la propagación de fuego
28
Objetivos
Sea resistente a bajas temperaturas
No produzca gases o componentes tóxicos Absorba vibraciones acústicas
Permita incluir refuerzos horizontales y/o verticales
Al instalarse no debe requerir conocimientos previos de albañilería No requieran de mezcla de pega o cemento para unirse
Sea de geometría regular en sus caras
Se genere como una pre-pared o varios ladrillos ya unidos. Una configuración de ladrillos ya hecha que permita la integración de más ladrillos individuales
Permita la introducción de cañerías corrugadas para cableado eléctrico Permita la introducción de cañerías de cobre para el piping
Permita ser cortado
Al trabajar con este y generar configuraciones, no sea un trabajo sucio
Tabla 14: Restricciones para el bloque generado por la máquina.
Restricciones
Deben tener como dimensiones máximas: 300x150x100 [mm]
Dimensionalmente, no tenga tanta diferencia entre uno y otro (tolerancias IT) Que sea económico ( no más de 0,45 [$/un])
Tabla 15: Funciones para el bloque generado por la máquina.
Funciones
Se ensamble fácilmente
Después de generarse la pared, permita el desarme del muro si se desea
4.5. Categorizar los objetivos de diseño
